DE10328246A1

DE10328246A1 - Ventil

Info

Publication number: DE10328246A1
Application number: DE2003128246
Authority: DE
Inventors: Björn RENTEMEISTER; Niels Fries; Rolf Lappan; Martin Nowak
Original assignee: Pierburg GmbH
Current assignee: Pierburg GmbH
Priority date: 2003-06-24
Filing date: 2003-06-24
Publication date: 2005-01-27
Anticipated expiration: 2023-06-25
Also published as: DE10328246B4

Abstract

Ein Ventil, insbesondere Bypassventil für Brennstoffzellen- und Reformeranwendungen in Kraftfahrzeugen, weist ein Gehäuse (46) auf, durch das ein Kanal (36) geführt ist, der von einer Kanalwand (34) umgeben ist. In der Kanalwand (34) ist eine Öffnung vorgesehen zur Aufnahme einer Welle (20), mit der eine Ventilklappe (10) verbunden ist. Die Ventilklappe (10) weist ein elastisch verformbares Dichtelement (14) auf mit einer ersten Dichtfläche (30) und einer zweiten Dichtfläche (32). Die erste Dichtfläche (30) liegt an der Welle (20) an. Die zweite Dichtfläche (32) liegt an der Kanalwand (34) an.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ventil, insbesondere ein Bypassventil, für Brennstoffzellen- und Reformeranwendungen in Kraftfahrzeugen.

Ventile für Brennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen sind beispielsweise aus DE 198 02 673 und DE 101 50 516 bekannt. Derartige Ventile weisen ein Gehäuse auf, durch das ein Kanal führt, der von einer Kanalwand begrenzt wird. In der Kanalwand ist eine Welle gelagert die mit einer Ventilklappe verbunden ist. Die Ventilklappe ist im Wesentlichen scheibenförmig ausgestaltet, so dass sie zwei Oberflächen und eine zwischen den Oberflächen angeordnete Mantelfläche aufweist. In einer geschlossenen Stellung (Einwegeventil) bzw. in einer ersten Schaltstellung (Bypassventil) liegt die Mantelfläche der Ventilklappe an der Kanalwand an. Um ein Verkannten der Ventilklappe zu vermeiden ist die Mantelfläche zumindest teilweise gerundet.

Insbesondere bei Brennstoffzellen- und Reformeranwendungen besteht bei derartigen Ventilen der Nachteil, dass die Dichtigkeit unzureichend ist. Fertigungsungenauigkeiten, insbesondere bezüglich der Rundheit von Ventilklappe bzw. Kanalwand, führen zu Undichtigkeiten. Insbesondere in Brennstoffzellensystemen treten zwischen Druck- und Saugseite des Ventils hohe Druckunterschiede auf. Ferner werden als Medium in Brennstoffzellensystemen niedermolekulare Gase verwendet, wie beispielsweise Wasserstoff. Somit führen bei Brennstoffzellensystemen selbst kleine Undichtigkeiten eines Ventils zu relativ hohen Le ckageströmen an der geschlossenen Ventilklappe vorbei (interne Leckage). Ferner ist es möglich, dass ein Teil des Mediums über die Wellenlagerung der Ventilklappe entweicht (externe Leckage).

Aufgabe der Erfindung ist es ein Ventil, insbesondere Bypassventil, für Brennstoffzellen- und Reformeranwendungen in Kraftfahrzeugen zu schaffen bei dem die Leckage reduziert ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Das erfindungsgemäße Ventil weist ein Gehäuse auf, durch das ein Kanal führt, der von einer Kanalwand umgeben ist. In der Kanalwand ist mindestens eine Öffnung vorgesehen zur Aufnahme einer Welle. Mit der Welle ist eine Ventilklappe verbunden, die erfindungsgemäß ein elastisch verformbares Dichtelement aufweist. Das Dichtelement weist eine erste und eine zweite Dichtfläche auf. Die erste Dichtfläche liegt an der Welle bzw. Klappe an, während die zweite Dichtfläche an der Kanalwand anliegt.

Durch das Dichtelement wird die Welle gegenüber der Öffnung in der Kanalwand abgedichtet, so dass eine externe Leckage eines durch den Kanal transportierten Mediums deutlich reduziert ist. Im Gegensatz zu einem Radialwellendichtring wird das Dichtelement mit der Welle mitbewegt, so dass eine Relativbewegung nicht zwischen Welle und Dichtelement, sondern zwischen Kanalwand und Dichtelement stattfindet. Ferner ist das Dichtelement nicht Teil des Gehäuses, sondern Teil der Ventilklappe, so dass das Dichtelement insbesondere innerhalb des Kanals angeordnet ist und nicht innerhalb des Gehäuses. Dadurch, dass das Dichtelement innerhalb des Kanals angeordnet ist und elastisch verformbar ist, ist es möglich, dass der Teil des Dichtelements der auf der Druckseite angeordnet ist von dem Betriebsdruck gegen die Kanalwand gepreßt wird. Dadurch können Fertigungstoleranzen der Ventilklappe bzw. Des Kanals ausgeglichen werden, wodurch in einer Schließstellung (Einwegeventil) bzw. Schaltstellung (Bypassventil) ein Verschluss entsteht, der auch bei niedermolekularen Gasen gasdicht ist. Ferner führt der in Brennstoffzellensystemen hohe Systemdruck nicht dazu, dass die Leckage erhöht wird, sondern führt sogar zu einer Verstärkung der Dichtwirkung.

Damit das erfindungsgemäße Ventil insbesondere für Brennstoffzellen- und Reformeranwendungen geeignet ist bietet es sich an den Ventilklappenkörper aus GNi-Stahl und das Dichtelement aus FPM, EPDM oder einem geeigneten Elastomer herzustellen. Durch diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ventils kann das Ventil der extrem korrosiv wirkenden Atmosphäre sowie den hohen Temperaturen und Drücken, wie sie in Brennstoffzellensystemen auftreten, widerstehen.

In bevorzugter Ausführungsform ist das Dichtelement tellerförmig ausgestaltet, so dass sich eine im Wesentlichen konkave Seite ergibt. Die konkave Seite des tellerförmigen Dichtelements ist insbesondere zur Kanalwand hin gerichtet. Dadurch ist es möglich, dass das Dichtelement ähnlich einem Saugnapf von dem herrschenden Systemdruck an die Kanalwand angepresst wird.

Die Dichtflächen des Dichtelements sind im Wesentlichen linienförmig ausgestaltet. Durch den anliegenden Systemdruck erfolgt eine elastische Verformung insbesondere der zweiten Dichtfläche, so dass sich ein flächiger Kontakt mit der Kanalwand ergibt. In bevorzugter Ausführungsform weist die zweite Dichtfläche eine Anlagefläche auf, so dass auch ohne anliegenden Systemdruck ein zumindest teilweise flächiger Kontakt mit der Kanalwand hergestellt wird. Insbesondere im Übergangsbereich der zweiten Dichtfläche zwischen Druck- und Saugseite bietet sich eine flächiger ausgestaltete Dichtfläche an um eine ausreichende Dichtwirkung zu gewährleisten. Die Anlagefläche kann dabei beispielsweise als Abflachung der im Wesentlichen linienförmigen Dichtfläche ausgestaltet sein.

In bevorzugter Ausführungsform ist das Dichtelement insbesondere im Bereich der zweiten Dichtfläche zumindest teilweise federnd ausgestaltet. Dies wird beispielsweise durch eine Ausnehmung im Dichtelement erreicht, die um den Um fang des Dichtelements verläuft. Dadurch, dass das Dichtelement radial zur Ausrichtung der Welle absteht, ist eine Federbewegung des Dichtelements longitudinal zur Ausrichtung der Welle möglich. Durch diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ventils kann durch die Federwirkung des Dichtelements eine zusätzliche Normalkraft der zweiten Dichtfläche auf die Kanalwand aufgebracht werden, wodurch die Dichtwirkung verstärkt wird. Insbesondere auf der Saugseite wird ein Abheben der zweiten Dichtfläche von der Kanalwand vermieden, da der anliegende Unterdruck zunächst die Federkraft überwinden müsste. Ferner kann das Dichtelement beim Schalten des Ventils nach Überwindung der Haftreibung leicht zurückfedern, so dass zum Bewegen der Ventilklappe nur eine geringe Kraftaufwendung notwendig ist und gleichzeitig der Verschleiß des Dichtelements reduziert wird.

In bevorzugter Ausführungsform weist die Ventilklappe einen im Wesentlichen scheibenförmigen Klappenkörper, mit einer ersten Oberfläche, einer zweiten Oberfläche und einer zwischen der ersten und der zweiten Oberfläche angeordneten Mantelfläche auf. Ferner weist die Ventilklappe ein im Wesentlichen teilringförmiges Dichtmittel auf, das zumindest teilweise die Mantelfläche bedeckt. Das Dichtmittel ist ähnlich wie das zuvor beschriebene Dichtelement elastisch verformbar. Dadurch kann das Dichtmittel ähnlich wie das Dichtelement die Dichtwirkung des erfindungsgemäßen Ventils verstärken, indem die interne Leckage reduziert wird. Genau wie bei dem zuvor beschriebenen Dichtelement wird durch den hohen Systemdruck die Dichtwirkung sogar noch verstärkt. Das Dichtmittel ist dabei insbesondere als elastisch verformbare Beschichtung ausgestaltet beispielsweise durch ein anvulkanisiertes Elastomer wie beispielsweise FKM/MVK.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische perspektivische Ansicht einer Ventilklappe des erfindungsgemäßen Ventils und
2 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Bypassventils.
1 zeigt, dass eine Ventilklappe 10 eines erfindungsgemäßen Ventils einen Klappenkörper 12, ein Dichtelement 14 sowie ein Dichtmittel 16 aufweist. In der dargestellten Ausführungsform ist das Dichtelement 14 als Manschette und das Dichtmittel 16 als Dichtlippe ausgebildet. Der Klappenkörper 12 weist einen als Hülse ausgestalteten Teilbereich 18 auf, in den eine Welle 20 zur Verbindung mit der Ventilklappe 10 einführbar ist. Der Klappenkörper 12 weist eine erste Oberfläche 22, eine zweite Oberfläche 24 sowie eine zwischen erster und zweiter Oberfläche 22, 24 angeordnete Mantelfläche 26 auf (2). Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Mantelfläche 26 nahezu vollständig von dem Dichtmittel 16 umschlossen. Dadurch hat das Dichtmittel 16 sowohl mit der ersten Oberfläche 22 als auch mit der zweiten Oberfläche 24 Kontakt. Das Dichtmittel 16 ist vorzugsweise angespritzt.
Im Bereich des hülsenförmig ausgestalteten Teils 18 des Klappenkörpers 12 (1) ist das Dichtmittel 16 unterbrochen um Platz für die Durchführung der Welle 20 sowie die Befestigung des Dichtelements 14 zu lassen. Somit wird das Dichtmittel 16 von den Dichtelementen 14 in zwei Teilringe unterteilt. Das Dichtelement 14 weist ein Öffnung 28 auf, durch die eine im Wesentlichen linienförmige Dichtfläche 30 ausgestaltet wird, die im zusammengebauten Zustand an der Welle 20 anliegt.
Das Dichtelement 14 weist ferner eine zweite im Wesentlichen linienförmige Dichtfläche 32 auf, die im zusammengebauten Zustand an einer Kanalwand 34 eines Kanal 36 anliegt (2). Die zweite Dichtfläche 32 weist im Übergangsbereich zwischen Druck- und Saugseite, also in der Nähe der Mantelfläche 26 eine Abflachung auf, durch die Anlageflächen 38 ausgestaltet werden (1). Das Dichtelement 14 ist im Wesentlichen tellerförmig ausgestaltet, wobei die konkave Seite zur Kanalwand 34 hingerichtet ist. Das bedeutet, dass der Durchmesser der ersten Dichtfläche 30 kleiner ist als der Durchmesser der zweiten Dichtfläche 32.
Das Dichtelement 14 weist ferner eine Ausnehmung 40 auf, so dass der außen liegende Teil 42 des Dichtelement 14, der zur Kanalwand 34 hin gerichtet ist, federn kann. Der untere Teil 44 des Dichtelements 14 dient im Wesentlichen der besseren Befestigung des Dichtelements 14 mit dem Klappenkörper 12. Somit ist es prinzipiell möglich, auf den unteren Teil 44 des Dichtelements 14 zu verzichten bzw. das Dichtelement 14 mehrstückig, insbesondere zweistückig, auszugestalten.
Das Dichtelement 14 und/oder das Dichtmittel 16 können beispielsweise durch Stoffschluss mit dem Klappenkörper 12 verbunden werden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Dichtelement 14 und/oder das Dichtmittel 16 durch Vulkanisieren mit dem Klappenkörper 12 fest verbunden. Ferner kann das Dichtelement 14 beispielsweise durch Kleben oder Vulkanisieren mit dem Dichtmittel 16 verbunden werden, so dass sich ein im Wesentlichen einheitlicher dichtender Verbund ergibt, der im dargestellten Ausführungsbeispiel die Mantelfläche 26 nahezu vollständig bedeckt.
In 2 ist das erfindungsgemäße Ventil als Bypassventil ausgestaltet. Das Bypassventil weist ein Gehäuse 46 mit einem Einlass 48 und zwei Auslässen 50,52 auf. Je nach Stellung der Ventilklappe 10, in dem Gehäuse 46 (durchgezogene bzw. gestrichelte Linien) ist der Einlass 48 mit dem Auslass 50 bzw. mit dem Auslass 52 verbunden. Die Ventilklappe 10 kann allerdings auch Zwischenstellungen einnehmen, so dass je nach Stellung der Ventilklappe 10 der Volumenstrom des durch den Einlass 48 zugeführten Mediums in zwei unterschiedliche Volumenströme aufgespalten werden kann. Insbesondere zur genauen Einstellung dieser Volumenströme ist es bevorzugt, das erfindungsgemäße Ventil mit einer Stelleinheit mit Rücklageerkennung zu versehen, die insbe sondere elektrisch betrieben wird. Dadurch können auch sehr kleine Massenströme sehr gut geregelt werden.

Claims

Ventil, insbesondere Bypassventil, für Brennstoffzellen- und Reformeranwendungen in Kraftfahrzeugen, mit einem durch ein Gehäuse (46) führenden Kanal (36), der von einer Kanalwand (34) umgeben ist, mindestens einer Öffnung in der Kanalwand (34) zur Aufnahme einer Welle (20) und einer mit der Welle (20) verbundenen Ventilklappe (10), wobei die Ventilklappe (10) ein elastisch verformbares Dichtelement (14) mit einer an der Welle (20) und/ oder der Ventilklappe (10) anliegenden ersten Dichtfläche (30) und einer an der Kanalwand (34) anliegenden zweiten Dichtfläche (32) zum Abdichten der Welle (20) gegenüber der Öffnung in der Kanalwand (34) aufweist.
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (14) innerhalb des Kanals (36) angeordnet ist.
Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (14) tellerförmig ausgestaltet ist, wobei das Dichtelement (14) eine im Wesentlichen konkave Seite aufweist, die insbesondere zur Kanalwand (34) hin gerichtet ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Dichtfläche (32) eine Anlagefläche (38) aufweist zur Erzeugung eines zumindest teilweise flächigen Kontakts mit der Kanalwand (34).
Ventil nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (14) eine Ausnehmung (40) aufweist, um eine Federbewegung des Dichtelements (14) longitudinal zur Ausrichtung der Welle (20) zu ermöglichen.
Ventil nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilklappe (10) einen im Wesentlichen scheibenförmigen Klappenkörper (12) mit einer ersten Oberfläche (22), einer zweiten Oberfläche (24) und einer zwischen der ersten und zweiten Oberfläche angeordneten Mantelfläche (26) aufweist, wobei ein im Wesentlichen teilringförmig ausgestaltetes Dichtmittel (16) zumindest teilweise die Mantelfläche (26) bedeckt.
Ventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtmittel (16) als elastisch verformbare Beschichtung ausgestaltet ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1-7, gekennzeichnet durch eine insbesondere elektrische Stelleinheit mit Rücklageerkennung.